Czy baterie cynkowo-tlenowe mogą zastąpić litowo-jonowe?

Wprowadzenie

Akumulatory litowo-jonowe (Li-ion) pozostają dominującą technologią w urządzeniach przenośnych i pojazdach elektrycznych ze względu na wysoką gęstość energii oraz dojrzały łańcuch dostaw. Natomiast akumulatory oparte na cynku są bardzo atrakcyjne pod względem bezpieczeństwa, kosztów i zrównoważonego rozwoju, jednak nadal napotykają pewne praktyczne ograniczenia związane z gęstością energii, żywotnością oraz produkcją na dużą skalę. To, czy mogą zastąpić baterie litowe, zależy przede wszystkim od scenariusza zastosowania: w przypadku urządzeń wymagających długiego czasu pracy i dużej mocy, baterie litowe pozostaną korzystniejsze w krótkim okresie; natomiast baterie cynkowe mogą stopniowo zyskać przewagę w obszarach o wysokich wymaganiach dotyczących bezpieczeństwa, wrażliwości na koszty lub w stacjonarnych systemach magazynowania energii.

Jaka jest różnica między bateriami litowymi a bateriami cynkowymi?

Materiały i zasady działania

Akumulatory litowe magazynują energię, przemieszczając jony litu między elektrodą dodatnią a ujemną, podczas gdy akumulatory oparte na cynku wykorzystują cynk jako główny składnik, w tym akumulatory cynk-jonowe, cynk-tlenowe oraz cynk-manganowe. Ogólnie rzecz biorąc, zasoby cynku są bardziej obfite, koszt jest niższy, a system jest zazwyczaj bezpieczniejszy.

Gęstość energii

Akumulatory litowe charakteryzują się wyższą gęstością energii, co czyni je bardziej odpowiednimi do zastosowań, w których priorytetem jest długi czas pracy lub miniaturyzacja, takich jak telefony komórkowe czy pojazdy elektryczne.
Akumulatory oparte na cynku mają zazwyczaj niższą gęstość energii, jednak wyróżniają się niskim kosztem materiałów i obfitością zasobów, a ich parametry są ciągle poprawiane.

Bezpieczeństwo

Głównym problemem bezpieczeństwa akumulatorów litowych jest termiczny upadek, który w skrajnych przypadkach może prowadzić do pożaru.
Systemy oparte na cynku często wykorzystują elektrolity wodne, które są od samej natury mniej palne, co przekłada się na ogólnie lepsze bezpieczeństwo. Mogą jednak napotkać nowe wyzwania, takie jak wzrost dendrytów.

Koszt i zasoby

Cynk jest znacznie tańszy niż lit, a jego zasoby są bardziej dostępne. Choć może się wydawać, że "tańsze materiały = tańsze baterie", to rzeczywisty koszt jest ściśle związany z takimi czynnikami jak żywotność, złożoność produkcji i wydajność.

Proste porównanie mechanizmów chemicznych

Baterie litowo-jonowe: opierają się na jonach litu "interkalujących" w materiale, w połączeniu z dojrzałymi materiałami katodowymi, takimi jak NMC i LFP, co pozwala osiągnąć wysoką gęstość energii.
Baterie na bazie cynku: niektóre wykorzystują przemieszczanie się jonów cynku, podczas gdy inne opierają się na reakcji z tlenem z powietrza (baterie cynkowo-tlenowe). Mechanizmy reakcji różnych systemów różnią się znacznie, co prowadzi do odmiennych właściwości i zakresów zastosowań.

Wydajność gęstości energii

Akumulatory litowo-jonowe: Pozostają "standardem" dla większości zastosowań o wysokiej gęstości energii. Akumulatory na bazie cynku: Choć praktyczna gęstość energii nie jest jeszcze wysoka, badania i rozwój postępują szybko. Na przykład baterie cynkowo-tlenowe teoretycznie charakteryzują się imponującą gęstością energii, jednak możliwości ponownego ładowania i wydajność mocy pozostają wąskimi gardłami.

Wydajność żywotności

Akumulatory litowo-jonowe mają dojrzałą liczbę cykli, waha się ona od setek do tysięcy cykli w różnych systemach.
Żywotność akumulatorów na bazie cynku zależy bardziej od samego systemu oraz technologii takich jak tłumienie dendrytów; nadal są w tyle, ale widoczny jest znaczący postęp.

Wydajność energetyczna

Akumulatory litowo-jonowe mają wyraźne zalety w przypadku rozładowania dużym prądem i szybkiego ładowania, co czyni je preferowanym wyborem w wielu zastosowaniach o wysokiej wydajności.
Akumulatory na bazie cynku napotykają natomiast na niedostateczną wydajność przy dużych prądach w niektórych systemach (szczególnie cynkowo-tlenowych), choć wydajność akumulatorów cynkowo-jonowych się poprawia.

Koszty materialne

Koszt surowców pierwotnych cynku jest znacznie niższy niż litu, a łańcuch dostaw jest znacznie prostszy.
Jednak przy obliczaniu „całkowitego kosztu użytkowania baterii” takie czynniki jak żywotność, metody produkcji i stabilność komplikują sprawę.

Bezpieczeństwo

Baterie litowo-jonowe są narażone na termiczny dryf w przypadku wystąpienia problemów, co czyni bezpieczeństwo stałym punktem zainteresowania branży.
Systemy oparte na cynku są od samej natury bardziej „łagodne” pod względem chemicznym, szczególnie systemy wodne, które są zasadniczo niemieszkalne, oferując tym samym znaczną przewagę w zakresie bezpieczeństwa. Niemniej jednak projektowanie inżynierskie nadal odgrywa kluczową rolę.

Wpływ na środowisko

Zasoby cynku są obfite i łatwe do recyklingu, co powoduje stosunkowo mniejsze obciążenie środowiska; recykling baterii litowych wymaga natomiast większego nakładu pracy i wiąże się z czynnikami geopolitycznymi związanymi z zasobami takimi jak lit czy kobalt.
Oczywiście niezależnie od typu baterii ilość energii zużywanej w procesie produkcji oraz sposób utylizacji baterii po zakończeniu ich cyklu życia będą wpływać na ogólną wydajność środowiskową.

Najnowsze rozwój w dziedzinie baterii cynkowych

Baterie cynkowo-tlenowe

Zalety: wysoka teoretyczna gęstość energii, niski koszt, przyjazne dla środowiska; odpowiednie do magazynowania energii oraz innych zastosowań wymagających „wysokiej energii + niskiej mocy”.
Wyzwania: możliwości ponownego ładowania, trwałość cykliczna oraz sprawność reakcji powietrza pozostają kluczowymi wyzwaniami technologicznymi.

Baterie cynkowo-jonowe (ZIB)

Obecnie technologia oparta na cynku, która ma największe szanse na seryjną produkcję: bezpieczna, o kontrolowanym koszcie, z systematycznie poprawianą gęstością energii i żywotnością, a jej przyszłe zastosowania powinny się dalej rozszerzać.

Baterie cynkowo-manganowe (Zn-MnO₂)

Te baterie są tanie i bezpieczne, jednak konieczne są dalsze przełomy pod względem trwałości cyklicznej i gęstości energii.

Cynk- Baterie węglowe

Ogólnie stosowane w jednorazowych, niskokosztowych zastosowaniach, ich pozycja jest dość jasna i mało prawdopodobne, że zastąpią nowoczesne baterie litowe.

Podsumowanie: konkurencja czy uzupełnianie się?

W przypadku aplikacji takich jak telefony komórkowe i pojazdy elektryczne, wymagających zarówno wysokiej mocy, jak i dalekiego zasięgu, przez najbliższe kilka lat najbardziej niezawodnym i dojrzałym rozwiązaniem będą nadal baterie litowe.

Baterie oparte na cynku mają zalety pod względem bezpieczeństwa, kosztów i przyjazności dla zasobów. Ich wydajność stale się poprawia, dlatego będą odgrywały coraz istotniejszą rolę w niektórych obszarach zastosowań – szczególnie w stacjonarnym magazynowaniu energii, regulacji sieci oraz urządzeniach, gdzie priorytetem jest bezpieczeństwo.

Z punktu widzenia trendów, „pełne zastąpienie baterii litowych” jest nierealistyczne w krótkim terminie, ale „ich wykorzystywanie równolegle i uzupełnianie się” jest bardziej rozsądną ścieżką rozwoju. Prawdopodobnie na przyszłym rynku będą współistnieć różne systemy, wykorzystujące swoje mocne strony, zamiast jednego typu baterii, który „panuje na rynku”.

Opis: Baterie cynkowo-tlenowe oferują duże zalety pod względem kosztów, bezpieczeństwa i zrównoważoności, jednak ich ograniczenia dotyczące gęstości energii, możliwości ładowania oraz trwałości uniemożliwiają im zastąpienie baterii litowo-jonowych w najbliższym czasie. Raczej będą one stanowić uzupełnienie baterii litowo-jonowych, szczególnie w magazynowaniu stacjonarnym i aplikacjach wymagających wysokiego poziomu bezpieczeństwa.